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# 陀螺仪、ENC03、MPU6050、I2C等知识科普 --- ## 陀螺仪：大家都知道，陀螺仪是一种能测量角速度的器件，是姿态解算、角度测量等任务中无法缺少的工具。单轴的陀螺仪配合单轴的加速度计，就能结算出一个姿态角。在平衡车的应用中，一维的姿态角（倾斜角）就足够了。而在飞行器中，一般需要三个轴的陀螺仪和三个轴的加速度计，解算出三个姿态角。经常可以见到模拟陀螺仪和数字陀螺仪，实际上这仅关乎器件输出是模拟量还是数字量。输出模拟量的陀螺仪，如ENC03。输出数字量的陀螺仪，如MPU6050、MPU9250等等。模拟陀螺仪使用简单，仅需要在单片机中进行AD采集即可。至于数字陀螺仪，因为输出为数字量，因此都需要相应的通信协议进行通信，如I2C、SPI等。 ### ENC03 ENC03 是电磁平衡组官方教程中使用的单轴模拟陀螺仪，因为是官方教程中使用的，因此使用的人很多，造成了市面上价格不菲。 ENC03 仅仅是一个陀螺仪，因此在角度解算中，还需要另一个加速度计。在官方教程中，加速度计使用的是MMA7361，二者输出都是模拟量。由于购买的人很多，**大部分淘宝店家出售的都是集成了ENC03和MMA7361的模块。** 模拟陀螺仪输出的是电压，所以使用简单，单片机AD采集即可。官方使用的这两款，由于已经是多年前的产品，性能一般。当然，用在智能车比赛中还是足够的。 ### MPU6050 MPU6050是一个比较常见的“陀螺仪”，实际上它不仅包含三轴陀螺仪，还包含了三轴加速度计。如果是MPU9250，甚至还包含了一个三轴的磁力计（电子罗盘）。MPU6050是一个典型的MEMS，将六轴的东西集成到了大概3mm×3mm×1.5mm的体积之中，因此在飞控中得到广泛应用。因此，**在平衡车的应用中，角度解算仅需要一个MPU6050就足够了。** MPU6050使用I2C进行通信。I2C使用两条线SCL、SDA进行通信，再加上供电的两条线，使用MPU6050仅需要电源、GND、SCL、SDA即可。其他引脚 - XCL、XDA,一般是接其他I2C器件，如磁力计等，然后通过编程，可以让MPU6050帮你读取磁力计的数据，再一起读回单片机。 - IRQ，中断引脚，可以编程设定当数据准备好时，该引脚有电平变化，触发单片机的外部中断。 ## I2C I2C是NXP制定的一种串行通信协议，该协议仅使用两条信号线（SCL、SDA），即可达到最高400K的通信频率，且可支持多个器件（有兴趣的可以再去了解一下实现方式，为什么仅需两条线即可实现多器件通信，可与SPI协议进行对比）。 SCL是时钟线，SDA是数据线。当SCL为高电平时，对SDA的电平进行采样，高电平则为1，低则为0。因为该协议通过SCL高电平时，数据线的变化来决定传输的终止或者开始，**因此数据必须在SCL为低电平的时候改变，在SCL高电平的时候，SDA必须保持稳定。** 开始信号：SCL为高电平，SDA从高->低终止信号：SCL为高电平，SDA从低->高 ### 软件（模拟）I2C、硬件I2C 这是两种单片机的I2C协议实现方式。现在常见的单片机都有自己的I2C外设，因此可以直接使用单片机的I2C接口，此即**硬件I2C**。同理，有的单片机没有I2C外设，如8051单片机，或者单片机I2C引脚用作他用，可以直接控制通过其他GPIO的高低变化的时序来模拟I2C。这是**软件I2C** 两种方式相比，软件I2C较方便移植，但速率较慢。硬件I2C配置较为麻烦，但速率较高，通过配置可以知道I2C通信的确切速率。 ### 几个概念 #### 主机：通信发起的一方，一般是单片机 #### 从机：被主机寻址的一方，如MPU6050 #### 从机地址：不同从机的标识符，从机仅会对自己的地址的寻址做出响应（ACK） #### 通信时序： 1. 主机发送开始信号 2. 主机发送要寻址的从机地址（7位） 3. 主机发送写或者读标志位（1位） 4. 从机响应（ACK） 5. 开始数据的传输 6. 主机发送结束信号 #### 以MPU6050为例的通信时序：写或者读寄存器： 1. 主机（单片机）发送开始信号 2. 主机发送要寻址的从机地址（7位0x68） 3. 主机发送写和读标志位（1或者0） 4. MPU6050响应 5. 主机发送要写或者读的寄存器（如0x02） 6. MPU6050响应 7. MPU6050发送数据 8. 主机不响应（NACK），发送停止信号 **需要注意的是，有的单片机中，使用从机的地址是8位，实际上他是将2、3步合成一步，这种情况下，MPU6050的地址为0xD0(即0x68左移一位）** 补充：关于MPU6050的驱动，可参考： https://github.com/Ncerzzk/drivers_mcu/blob/master/mpu9250.c 该驱动用的是MPU9250（但实际上MPU6050与MPU9250其从机地址是一样的，仅有dev_ID不同）